CN107966659A - 永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法及检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法及检测系统，在线检测方法包括：采集永磁同步电机的三相电流信号、三相电压信号和转速信号；利用三相电流、三相电压和转速，将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感作为递推初始值，采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；根据定子绕组的材料电阻与温度的对应关系，得到永磁同步电机中定子绕组的实时温度；采集冷却介质的温度，将定子绕组的每个实时温度与冷却介质的温度相减并进行平均后得到电机定子绕组的实时平均温升。本发明能够在不改变永磁同步电机的电气连接线路的前提下，在不需要永磁同步电机停止运行的情况下，得到电机定子绕组的实时平均温升。

Description

永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法及检测系统
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法及检测系统。
背景技术
目前，电动汽车用电机正逐步趋向高功率密度和高速化，电机的温升问题也逐渐凸显。电机各部件的温度关系着产品的安全和寿命，因此检测电机的温升就显得尤为重要了。
现有技术中电动汽车用永磁同步电机定子绕组的温升检测方法有以下两种：一种方法是用温度传感器实时检测定子绕组温度。将温度传感器与永磁同步电机的定子绕组表面粘合接触，温度传感器可以是铂电阻或热电偶等，随着电机定子绕组温度的变化，温度传感器输出值改变。通过计算电路解算出对应的温度值，减去冷却介质温度进而得到温升。然而，这种方法中温度传感器只能检测出电机定子绕组某一点的温升，即便是采用多点平均的方法，也不能反映出电机定子绕组的平均温升；并且，温度传感器和定子绕组之间隔着绝缘材料，检测不到定子绕组的实际温度。
另一种方法是用电桥检测永磁同步电机断能后定子绕组的热态电阻，并通过外推法得到电机断能时刻的温升。如果想检测电机正常运行时某一时刻的温升，首先使电机断能，同时开始计时，待电机静止时，每隔一段时间用电桥检测定子电阻。根据时间外推出电机断能时刻的定子电阻值，进而计算出温升。然而，这种方法没有考虑在电机停止过程中定子电阻的非线性变化；另外，检测时需要使电机停止运行，不能进行实时在线检测。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法及检测系统。
本发明所采用的技术方案为：一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法包括以下步骤：
采集永磁同步电机的三相电流信号、三相电压信号和转速信号；
利用三相电流、三相电压和转速，将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感作为递推初始值，采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；
根据永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系，得到永磁同步电机中定子绕组的实时温度；
采集冷却介质的温度，将定子绕组的每个实时温度与冷却介质的温度相减并进行平均后得到电机定子绕组的实时平均温升。
进一步地，所述采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值的步骤中，永磁同步电机中定子绕组的电阻递推公式为：
式中，δ(k)表示永磁同步电机内电路参数，y(k)表示三相电压，表示三相电流，其中，Z(k)表示中间变量，Φk表示三相电流的递推矩阵，id表示三相电流在dq旋转坐标系中d轴的电流，iq表示三相电流在dq旋转坐标系中q轴的电流；ud表示三相电压在dq旋转坐标系中d轴的电压，uq表示三相电压在 dq旋转坐标系中q轴的电压；p表示微分算子；ω表示转子的角速度；ψf表示永磁同步电机的恒定参数；Ld均表示永磁同步电机中定子绕组d轴的电感分量， Lq表示永磁同步电机中定子绕组q轴的电感分量；Rs表示永磁同步电机中定子绕组的电阻；k表示递推次数。
进一步地，所述递推算法运行在计算机中，计算机接收永磁同步电机中定子绕组的电阻和电感参数。
进一步地，所述永磁同步电机的三相电流信号采用电流传感器进行检测，所述永磁同步电机的三相电压信号采用电压传感器进行检测，所述永磁同步电机的转速信号采用电机转速传感器进行检测。
进一步地，所述冷却介质的温度采用温度传感器进行检测。
更进一步地，所述冷却介质为冷却液时，采用温度传感器检测检测出液口的温度即得到冷却介质的温度；所述冷却介质为空气时，采用温度传感器实时检测永磁同步电机周围空气的温度即得到冷却介质的温度。
一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统包括信号检测模块、信号处理模块、存储模块和显示模块；所述信号检测模块、存储模块和显示模块均与所述信号处理模块连接；所述信号检测模块用于检测永磁同步电机的三相电压、三相电流和转速，还用于检测永磁同步电机的冷却介质的温度；所述信号处理模块用于根据接收到的三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度以及预存储的永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系得到永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升；所述存储模块用于对执行的数据和指令进行存储；所述显示模块用于显示所述信号处理模块计算得到的永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升。
进一步地，所述信号处理模块包括信号接收模块、模数转换模块、递推计算模块、实时温度获取模块和实时平均温升计算模块；所述信号接收模块用于接收三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度信号，所述信号接收模块还用于接收永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感参数；所述模数转换模块用于将接收到的模拟信号转换成数字信号；所述递推计算模块用于将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感参数作为递推初始值，递推计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；所述实时温度获取模块用于根据永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值和永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系获取永磁同步电机的实时温度；所述实时平均温升计算模块用于根据永磁同步电机的实时温度和冷却介质的温度得到永磁同步电机的实时平均温升。
进一步地，所述信号检测模块包括电压传感器、电流传感器、电机转速传感器和温度传感器。
进一步地，所述永磁同步电机为液冷式永磁同步电机时，采用温度传感器检测检测出液口的温度即得到冷却介质的温度；所述永磁同步电机为风冷式或自然冷却式永磁同步电机时，采用温度传感器实时检测永磁同步电机周围空气的温度即得到冷却介质的温度。
由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感参数作为递推初始值，采用递推算法得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值，再结合定子绕组的材料电阻与温度的对应关系以及冷却介质的温度，得到定子绕组的实时平均温升，本发明能够在不改变永磁同步电机的电气连接线路的前提下得到永磁同步电机的定子绕组的实时平均温升。本发明实用、方便、高效，可以广泛用于电动汽车中用的永磁同步电机的定子绕组的温升检测中，检测时不需要永磁同步电机停止运行就能够进行实时检测，从而能够达到保护电机的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统的结构图。
图中：1-信号检测模块；2-存储模块；3-显示模块；4-信号处理模块；41- 信号接收模块；42-模数转换模块；43-递推计算模块；44-实时温度获取模块； 45-实时平均温升计算模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其包括以下步骤：
S1、采集永磁同步电机的三相电流信号、三相电压信号和转速信号。
S2、利用三相电流、三相电压和转速，将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻、电机d、q轴的电感分量等参数作为递推初始值，采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值，其具体过程为：
根据电路原理，有关系式：
式(1)中，y(k)表示三相电压，表示三相电流，δ(k)表示永磁同步电机内电路参数。
将式(1)乘以则有：
令 Φk表示三相电流的递推矩阵，Yk表示三相电压y(k)的递推矩阵，则根据最小二乘原理的收敛性和式(1)有：
Yk-1＝Φk-1δ(k) (3)
将式(3)乘以则有：
将式(4)与式(2)相加，则有：
又因为：
根据式(5)和式(6)得到
将式(7)乘以得到
令则有，
由式(10)得到
由式(9)和式(11)得到
由式(8)和式(10)得到
将式(12)带入式(13)中，得到
将和带入式(8)中，得到
将式(14)带入式(15)中，得到递推公式
式(16)中，Δ(k)表示第k次修正值。
将采集到的永磁同步电机的三相电压和三相电流转换到dq旋转坐标系上，得到永磁同步电机的电流与电压的关系为：
式(17)中，dq旋转坐标系中d轴的电流id和q轴的电流iq分别为：
式(17)中，dq旋转坐标系中d轴的电压ud和q轴的电压uq分别为：
式(17)～式(19)中，iA、iB、iC表示三相电流；uA、uB、uC表示三相电压；θ表示转子位置，p表示微分算子；ω表示转子的角速度；Rs表示永磁同步电机中定子绕组的电阻；ψd表示d轴的电机磁链分量ψd＝Ldid+ψf，ψf表示永磁同步电机的恒定参数，其变化可忽略，ψq表示q轴的电机磁链分量，ψq＝Lqiq；Ld均表示永磁同步电机中定子绕组d轴的电感分量，Lq表示永磁同步电机中定子绕组q轴的电感分量；k表示递推次数。
将式(17)写成矩阵形式，得到
将式(20)与式(1)进行类比，得到
将式(21)带入式(16)中，得到永磁同步电机中定子绕组的电阻递推公式，将永磁同步电机的电阻和电感作为递推初始值进行递推，得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值。
S3、根据永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系，得到永磁同步电机中定子绕组的实时温度。
S4、采集冷却介质的温度，将定子绕组的每个实时温度与冷却介质的温度相减并进行平均后得到电机定子绕组的实时平均温升。
上述步骤S2中的递推算法可以运行在计算机中，计算机用于接收永磁同步电机中定子绕组的电阻和电感等参数。
上述步骤S4中，在永磁同步电机运行时，采用温度传感器实时检测冷却介质的温度。对于液冷式永磁同步电机，采用温度传感器实时检测出液口的温度，即可得到冷却介质的温度。对于风冷式或自然冷却式永磁同步电机，采用温度传感器实时检测永磁同步电机周围空气的温度，即可得到冷却介质的温度。
如图2所示，本发明还提供了一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统，其包括信号检测模块1、存储模块2、显示模块3和信号处理模块4。信号检测模块1、存储模块2和显示模块3均与信号处理模块4连接。其中，信号检测模块1用于检测永磁同步电机的三相电压、三相电流和转速，还用于检测永磁同步电机的冷却介质的温度。信号处理模块4用于根据接收到的三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度以及预存储的永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系得到永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升。存储模块2用于对执行的数据和指令进行存储。显示模块3用于显示信号处理模块4计算得到的永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升。
上述实施例中，信号处理模块4包括信号接收模块41、模数转换模块42、递推计算模块43、实时温度获取模块44和实时平均温升计算模块45。其中，信号接收模块41用于接收三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度信号，信号接收模块41还用于接收永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感等参数；模数转换模块42用于将接收到的模拟信号转换成数字信号；递推计算模块 43用于将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感等参数作为递推初始值，递推计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；实时温度获取模块44 用于根据永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值和永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系获取永磁同步电机的实时温度；实时平均温升计算模块45用于根据永磁同步电机的实时温度和冷却介质的温度得到永磁同步电机的实时平均温升。
上述实施例中，信号检测模块1包括电压传感器、电流传感器、电机转速传感器和温度传感器。
本发明在不改变永磁同步电机的电气连接线路的前提下，能够很好的实现永磁同步电机的定子绕组平均温升的实时检测。本发明实用、方便、高效，可以广泛用于电动汽车中用的永磁同步电机的定子绕组的温升检测中，检测时不需要永磁同步电机停止运行就能够进行实时检测，从而能够达到保护电机的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集永磁同步电机的三相电流信号、三相电压信号和转速信号；
利用三相电流、三相电压和转速，将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感作为递推初始值，采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；
根据永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系，得到永磁同步电机中定子绕组的实时温度；
采集冷却介质的温度，将定子绕组的每个实时温度与冷却介质的温度相减并进行平均后得到电机定子绕组的实时平均温升。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，所述采用递推算法计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值的步骤中，永磁同步电机中定子绕组的电阻递推公式为：
式中，δ(k)表示永磁同步电机内电路参数，y(k)表示三相电压，表示三相电流，其中，Z(k)表示中间变量，
Φk表示三相电流的递推矩阵，id表示三相电流在dq旋转坐标系中d轴的电流，iq表示三相电流在dq旋转坐标系中q轴的电流；ud表示三相电压在dq旋转坐标系中d轴的电压，uq表示三相电压在dq旋转坐标系中q轴的电压；p表示微分算子；ω表示转子的角速度；ψf表示永磁同步电机的恒定参数；Ld均表示永磁同步电机中定子绕组d轴的电感分量，Lq表示永磁同步电机中定子绕组q轴的电感分量；Rs表示永磁同步电机中定子绕组的电阻；k表示递推次数。
3.如权利要求1所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，所述递推算法运行在计算机中，计算机接收永磁同步电机中定子绕组的电阻和电感参数。
4.如权利要求1或2或3所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，所述永磁同步电机的三相电流信号采用电流传感器进行检测，所述永磁同步电机的三相电压信号采用电压传感器进行检测，所述永磁同步电机的转速信号采用电机转速传感器进行检测。
5.如权利要求1或2或3所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，所述冷却介质的温度采用温度传感器进行检测。
6.如权利要求5所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测方法，其特征在于，所述冷却介质为冷却液时，采用温度传感器检测检测出液口的温度即得到冷却介质的温度；所述冷却介质为空气时，采用温度传感器实时检测永磁同步电机周围空气的温度即得到冷却介质的温度。
7.一种永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统，其特征在于，它包括信号检测模块、信号处理模块、存储模块和显示模块；所述信号检测模块、存储模块和显示模块均与所述信号处理模块连接；所述信号检测模块用于检测永磁同步电机的三相电压、三相电流和转速，还用于检测永磁同步电机的冷却介质的温度；所述信号处理模块用于根据接收到的三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度以及预存储的永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系得到永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升；所述存储模块用于对执行的数据和指令进行存储；所述显示模块用于显示所述信号处理模块计算得到的永磁同步电机中定子绕组的实时平均温升。
8.如权利要求7所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号接收模块、模数转换模块、递推计算模块、实时温度获取模块和实时平均温升计算模块；所述信号接收模块用于接收三相电压、三相电流、转速和冷却介质的温度信号，所述信号接收模块还用于接收永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感参数；所述模数转换模块用于将接收到的模拟信号转换成数字信号；所述递推计算模块用于将永磁同步电机运行前定子绕组的电阻和电感参数作为递推初始值，递推计算得到永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值；所述实时温度获取模块用于根据永磁同步电机运行时定子绕组的电阻值和永磁同步电机中定子绕组的材料电阻与温度的对应关系获取永磁同步电机的实时温度；所述实时平均温升计算模块用于根据永磁同步电机的实时温度和冷却介质的温度得到永磁同步电机的实时平均温升。
9.如权利要求7所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统，其特征在于，所述信号检测模块包括电压传感器、电流传感器、电机转速传感器和温度传感器。
10.如权利要求7所述的永磁同步电机中定子绕组温升在线检测系统，其特征在于，所述永磁同步电机为液冷式永磁同步电机时，采用温度传感器检测检测出液口的温度即得到冷却介质的温度；所述永磁同步电机为风冷式或自然冷却式永磁同步电机时，采用温度传感器实时检测永磁同步电机周围空气的温度即得到冷却介质的温度。
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